科学思维育人理念下的物理实验作业数字化实践策略

王国军　汤金波

2021年7月，国家开始实施“双减”政策，要求中小学提高作业设计质量，发挥作业诊断、巩固、学情分析等功能，系统设计符合年龄特点和学习规律、体现素质教育导向的基础性、弹性作业，克服机械、无效作业。2022年6月，教育部发布《教育部办公厅关于做好2022年中小学暑期有关工作的通知》强调，要充分利用暑期巩固学习成果，严格控制暑假书面作业总量，鼓励布置探究性和实践性作业。数字化作业是落实核心素养培养要求的可行路径，它可以减少学生书面作业量，实现探究式作业和实践性作业，达成减负增效目标^[1]。如何实现高效作业呢？笔者结合实例探索科学思维育人理念下的物理实验作业数字化实践方法与策略，以创新作业样态，有效落实“双减”政策。

一、数字化作业的概念及功能

数字化作业是数字智能时代背景下应用各种形式的数字化工具完成一系列作业的过程，简言之，就是作业数字化。目前，最常见的数字化作业工具有QQ软件、微信及各种教学App或电脑软件等，这些数字工具在作业中发挥不同功能，有的是作为通信平台，有的用于答疑解惑，有的用于数据监测，等等。相较于纸笔作业，数字化作业优势明显，可以弥补传统作业的不足。数字化作业不受时间和空间限制，可以实现师生远端交流。教师只要准备好作业即可借助数字工具推送给学生，让他们在时限内完成并提交，便可以亲自线上批阅或直接利用网络自动批阅。这有利于学生提高对新工具的使用能力，也有利于開阔视野^[2]。智能时代，数字化产品层出不穷。学习使用数字化工具是提升学生信息素养的一条有效途径。相较于纸笔作业，数字化作业丰富了学生完成作业的形式，这也是智能时代对于学生信息素养的基本要求。数字化作业有利于引导学生重新认识数字工具的正向特征和用途：手机及有关软件不再只是娱乐工具，而是促进个人素养发展的利器。笔者所说的数字化作业主要是指使用数字工具进行通信，辅以其他软件综合完成任务的过程。

二、数字化作业培育科学思维的模型

思维是指理性认识或理性认识的过程，其思维工具为语言，主要方式有判断、推理等，方法包括抽象、归纳、演绎、分析和综合。科学思维主要指人脑对信息的加工活动，具有较强的逻辑性、严谨性、系统性和客观性^[3]。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下称“课标”）指出，科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新^[4]。笔者对数字化作业流程进行了一般性总结（如图1^[5]），在此基础上构建数字化作业培育科学思维的模型（如图2）。教师布置作业之前必须明确目标，如果目标不清晰，布置作业时就会手脚忙乱，难以保证作业质量，更谈不上增效。明确作业目标后，教师根据本学科的突出特征及育人特征确定作业的内容形式。教师确定作业目标和内容形式后，基于时间与空间特点，借助数字化通信工具沟通，弥补纸笔作业的不足。笔者将结合物理学科特点，谈科学思维育人理念下的实验作业数字化实践策略。

三、基于科学思维育人理念的物理实验作业数字化实践策略

实验作业的形式有纸笔实验作业和动手实践实验作业。动手实践作业既能帮助学生巩固理论知识，又能提高学生动手、动口、动眼、动脑能力。改变作业机械化、单一化、枯燥化的局面，对于学生科学思维的培养具有举足轻重的作用。笔者从课内、科内、跨学科三个层面，循序渐进培育学生的能力。具体策略如下。

（一）再现课内知识，巩固模型建构能力

笔者布置课内知识再现这种类型的课后动手实践作业是为了帮助学生巩固所学知识和技能。这类作业属于动手实践作业中的低阶思维水平作业，也是基础型作业。基础性、实践性的实验作业是通向高阶思维的奠基石，也是创新的根本。在实验实践过程中，学生需要准确地将课内的实验动手探究要素进行再现。课标对于模型建构的要求是：“会用所学模型分析常见的物理问题”^[6]。建立模型是学生学会分析物理问题的关键能力之一。学生在遇到问题、解决问题的过程中，学会抓住要解决问题的关键因素，从而建构出能表征客观问题本质特征的图式，发展了对物理现象的本质特征进行抽象、概括、综合的能力，学会像物理学家一样思考问题。

“探究光的反射规律”“探究杠杆的平衡条件”“探究串并联电路中的电流、电压特点”等探究实验，看似在课堂上已经完成小组探究，其实大多浮于表面。学生在短短的十几分钟内经历了问题的提出、猜想、实验设计、器材准备，以及功能定位、证据收集、证据分析、得出结论、评价交流过程，虽然每一节探究实验有侧重点，但是并没有熟练地掌握并灵活运用，有的学生只是听说过这些环节。为此，笔者布置数字化作业，让学生录制视频重现实验过程，像教师一样对实验探究环节进行探索。笔者在查看学生作业过程中关注学生的语言、图像、文字等信息，判断他们是否掌握并为后期的实验教学提供参考。例如，笔者完成“探究光的反射规律”实验教学后，为了检验学生是否对这一实验过程及科学模型真正理解，利用QQ软件发布课后“探究光的反射规律”的实验作业，要求学生完成光反射规律的探究实验，利用光路图总结实验结论。学生重现实验过程（扫码看视频），绘制光路模型（如图3）。学生看到光的路径，客观地将其记录在光屏上，具备初步的建模能力。类似情形在学生作业中出现的频率是最高的。对于“会用所学模型分析常见物理问题”的要求，学生在实验过程中多次改变入射角后能够得出光的反射规律，然而这个光路模型却缺失了模型的关键特征——方向性。为此，笔者在与学生交流过程中，不断启发诱导，让学生自主发现绘制的光路模型中存在的问题，并补充纠正。

这种课内知识再现型实验作业看似无味，但对很多学生来说不可或缺。在学生独立完成实验作业的过程中，其语言暴露了他们对相关知识的掌握情况。物理是一门精细化的学科，细节决定成败，每一个细节都不能忽视。这种细节训练有利于培养学生认识模型本质特征的能力。

（二）应用科内知识，提升质疑创新能力

笔者提及的应用科内知识是指学生在学习物理学科知识以后应用物理知识解决生活中或自然界中的相关问题的过程，这有利于学生在解决问题的过程中提升质疑创新的能力。质疑创新是学生思维处于高阶水平的表现，质疑是发现问题的源泉，没有质疑就难以发现问题，有了问题意识，就有了探究的方向，有了探究方向，创新思维就有了舞台。课标对学生的“质疑创新”能力提出了具体要求：能独立地思考，对有关信息、方案和结论提出自己的见解，具有质疑创新的意识^[6]。爱因斯坦曾说：仅仅用专业知识教育人是不够的，学校的教育目标应当是培养具有独立行动和独立思考的个人。质疑需要学生有独立思考的意识。学生学会独立思考，就学会了质疑，并在质疑中成长甚至发展批判性思维，这正是创新之源。

下面举例说明。惯性是物体保持原来运动状态的一种性质。对于该知识的应用，课堂上教师列举大量的生活实例，如用手拍打衣服上的灰尘、乘车时抓好扶手、系好安全带……甚至当场演示很多惊险的模拟生活场景的实验，目的是让学生在真实情境中学会应用惯性知识解释这些现象的成因，同时认识到惯性有利有弊。笔者曾布置过这样一道作业习题：桌上放一个装满水的瓶子，中间有一个气泡，先使瓶子在桌面上匀速向右运动，然后使其停止，则气泡将怎样运动？很多学生回答：向右边运动，因为瓶子和气泡先向右运动，当瓶子停下来时，气泡由于惯性会保持原来的运动状态，故向右运动。极少数学生提出了相反的意见，但无法进行完整的、正确的解释。此时，学生相互质疑哪种解释才是正确的。怎么办呢？如果教师继续进行理论上的解释，很多学生还是疑惑不解，甚至觉得这个问题的答案与惯性的概念以及刚刚列举的实例情境完全矛盾。为了解除困惑，课后笔者给学生布置数字化作业，让学生看看能否借用现有的App解决问题。果然，有学生利用“剪映”App的视频慢放功能呈现慢镜头下的气泡运动情况（扫码看视频）。

学生完成数字化作业后对结论真正信服，不再质疑。学生灵活应用了数据软件对实验作业视频进行编辑慢放，观察到气泡的真实运动情况，解开了气泡到底向哪个方向运动的谜团。如果用纸笔完成作业，很多学生无法以抽象的方式得出结论。数字化作业激发了学生应用数字工具进行释疑的创新能力，扩展了他们使用数字工具的视野，提高了信息素养。

（三）跨学科实践，培育论证推理的能力

跨学科实践是课标中的一级主题，它包含物理学与日常生活、物理学与工程实践、物理学与社会发展3个二级主题，其内容丰富，涉及面非常广，深度也可以很深。对于跨学科实践，课标强调要注意收集学生运用多学科知识和跨学科思维分析、解决问题的行为表现。如何收集学生的这些行为呢？较好的一种方式就是布置一定量的具有综合性、开放性的跨学科实践作业。数字化实践作业可以为跨学科实践作业带来一线生机。学生录制实验视频，需要解说整个实验环节，进行逻辑推理，得出结论。解说不仅可以锻炼学生的口语表达能力，而且可以看出学生的思维过程和存在的问题，从而为学生的素养发展提供诊断依据。跨学科实践作业的目标就是要学生学会应用多学科知识解决一个综合性的问题，在这一过程中，培育跨学科观念，形成跨学科思维，运用跨学科知识和方法进行探究，具备跨学科思考并解决问题的责任态度。

举例说明。温度计的使用及读数是初中学生必须掌握的技能。液体的热胀冷缩是液体温度计的工作原理。百年间，温度计被从事不同职业的人改造。学生参与一次温度计的制作实践，不仅能真实体验热胀冷缩到底是怎么一回事，而且能了解科技史，认识到原初温度计制作的不易和史料的价值。笔者为了让学生体验温度计的制作，布置了“自制刻度尺温度计”的数字化实践作业。学生找来了小瓶、吸管、刻度尺、红墨水等，向小瓶注入一定量的红墨水，由于只有一根吸管，上面没有刻度，只能借由吸管内部液面的上升或下降粗略判断外界温度是上升还是下降。给简易温度计绑上一把刻度尺，用刻度表示温度值能否显示温度变化情况呢？学生经过多轮实测，收集证据，对收集到的数据进行推理，得出刻度尺每厘米表示多少攝氏度，对自制温度计进行定标。学生在这一系列的实践过程中自然而然地形成了初步的工程思维和数理逻辑思维。学生认真完成数字化实验作业（扫码看视频），记录证据（见表1和表2），推理得出刻度尺每厘米约代表5.4 ℃。学生对刻度尺的温度定标后，再次进行实际测试，对比后读取自制刻度尺温度计的测量值数据：1号液体中刻度尺上的刻度为14.8 cm，对应的温度为14.8 cm×5.4 ℃/cm=79.92 ℃；2号液体中刻度尺的刻度为3.7 cm，对应的温度为3.7 cm×5.4 ℃/cm=19.98 ℃。实验测得的数据与用市面上购买的温度计测得的结果基本相同，自制刻度尺温度计测温度的可行性得到了验证。

这样的数字化跨学科实践作业对于学生来说受益良多，既巩固了物理学科知识，又融入了工程思维和逻辑思维，体现了根据实际立足本学科，适当跨学科进行创新突破的思想。也许学生在实践中并不理解什么是跨学科，跨学科到底有什么价值，但是他们在实践中悄无声息地形成了跨学科观念，培育了跨学科思维能力，能运用多学科知识和方法进行探索。这为学生提升终身必备品格和关键能力奠定了基础。

数字化作业弥补了纸笔作业的不足，特别是当师生各在一方，数字化作业既能缩短师生之间的物理距离，又能让师生之间的语言沟通与感情联系不间断。智能时代，学生使用数字工具完成作业有利于提升自身的信息素养。物理教师科学推进实验作业数字化，可以实现作业基础性与综合性的统一、有效性与探究性的统一、单学科与多学科融合的统一，促进学生学科素养的提升以及终身必备品格和关键能力的养成。未来，数字化作业将更好地实现与纸笔作业优势互补，助力学生成长。

注：本文系贵阳市2023年教育科学规划课题“‘双减背景下的初中物理学生自主创新实验作业评价实践研究”（编号：GYYB23121）的阶段性研究成果。

参考文献

[1][2][5]王国军，汤金波，王俪运.“双减”背景下物理学科数字化作业探索[J].中小学数字化教学，2021（12）：32-35.

[3]廖伯琴.核心素养与课程目标[J].中学物理教与学，2023（7）： 30.

[4][6]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022：5.

（作者王国军系贵州省贵阳市贵安新区花溪第六中学教师；汤金波系南京师大附属中学树人学校特级教师）

责任编辑：祝元志